[논문 리뷰] Exploiting Sensing Signal in ISAC: A NOMA Inspired Scheme

Zhaolin Wang, Xidong Mu외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 12.

Indoor and Outdoor Localization Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 간섭으로 간주되는 센싱 신호를 추가적인 정보 전송 비트로 활용하는 NOMA 기반 통합 센싱 및 통신(ISAC) 프레임워크를 제안한다. 사용자에서 순차적 간섭 제거(SIC)를 적용함으로써, 이 방식은 스펙트럼 효율성을 향상시키고 기존 최신 기술 대비 통신 속도와 센싱 정확도 간의 우월한 트레이드오프를 달성한다.

ABSTRACT

A non-orthogonal multiple access (NOMA)-inspired integrated sensing and communication (ISAC) framework is proposed, where a dual-functional base station (BS) transmits the composite communication and sensing signals. In contrast to treating the sensing signal as a harmful interference to communication, in this work, multiple beams of the sensing signal are exploited to convey extra information streams based on the concept of NOMA. Then, each communication user detects the extra information streams and the existing legacy information streams with the aid of successive interference cancellation (SIC). Based on the proposed framework, a multiple-objective optimization problem (MOOP) is formulated to characterize the trade-off between the communication throughput and sensing beampattern accuracy. For the general multiple-user scenario, the formulated MOOP is firstly converted to a single-objective optimization problem via the e-constraint method. Then, a double-layer block coordinate descent (BCD) algorithm is proposed by employing fractional programming and successive convex approximation to find a high-quality sub-optimal solution. For the special single-user scenario, the globally optimal solution can be obtained by transforming the MOOP into a convex quadratic semidefinite program. Moreover, it is rigorously proved that 1) in the multiple-user scenario, the proposed NOMA-inspired ISAC framework always outperforms the state-of-the-art sensing-interference-cancellation (SenIC) ISAC frameworks by further exploiting sensing signals for delivering extra information streams; 2) in the special single-user scenario, the proposed NOMA-inspired ISAC framework achieves the same performance as the existing SenIC ISAC frameworks, which reveals that the coordination of sensing interference is not necessarily required in this case. Numerical results verify the theoretical results.

연구 동기 및 목표

• 기존 ISAC 시스템에서 센싱 신호가 일반적으로 간섭으로 간주되는 점을 해결하기 위해, 센싱 신호의 잠재적 활용도를 높이기 위함.
• NOMA 원리를 활용해 센싱 비트를 추가 정보 전송 스트림으로 전환함으로써 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위함.
• 총 전력 제약 조건 하에서 비트포밍 설계를 최적화하여 통신 스루풋과 센싱 비트포턴 정확도 간 균형을 이루기 위함.
• 제안된 방식이 다중 사용자 환경에서 기존 센싱 간섭 제거(SenIC) 프레임워크를 항상 초월함을 입증하기 위함.
• 특수 단일 사용자 케이스에 대해 전역 최적 해를 도출하고 일반 다중 사용자 케이스에 대해 부분 최적 해를 도출하기 위함.

제안 방법

• 통신 및 센싱 비트를 복합적으로 전송하는 이중 기능 기지국을 제안한다.
• 비정규 다중접속(NOMA) 원리를 적용하여 다수 사용자가 기존 통신 스트림과 함께 센싱 비트에 실린 추가 정보를 디코딩할 수 있도록 한다.
• 각 사용자에서 신호 강도 순서로 겹쳐진 스트림을 순차적 간섭 제거(SIC)를 통해 디코딩한다.
• ε-제약 방법을 사용하여 다목적 최적화 문제(MOOP)를 단일 目적 문제(SOOP)로 재구성한다.
• 분수 프로그래밍과 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA)를 융합한 이중 레이어 블록 좌표 강하(BCD) 알고리즘을 개발하여 다중 사용자 환경에서 부분 최적 해를 확보한다.
• 단일 사용자 케이스에서는 MOOP를 볼록 2차 정수형 프로그래밍(QSDP)으로 변환하여 전역 최적의 비트포밍 설계를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ISAC 시스템의 센싱 신호를 정보 전송 비트로 재활용하여 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 제안된 NOMA 기반 ISAC 프레임워크의 성능은 기존 SenIC 프레임워크 대비 통신 속도와 센싱 정확도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 총 전력 제약 조건 하에서 통신 스루풋과 센싱 비트포턴 정확도 간 균형을 효과적으로 유지할 수 있는 비트포밍 설계 전략은 무엇인가?
• RQ4 제안된 방식이 어떤 조건에서 전역 최적성을 확보하고, 언제 부분 최적 해로 충분한가?
• RQ5 단일 사용자 ISAC 시스템에서는 센싱 간섭 조율이 필수적인가?

주요 결과

• 제안된 NOMA 기반 ISAC 프레임워크는 다중 사용자 환경에서 센싱 신호를 추가 데이터 전송에 활용함으로써 기존 최신 기술 대비 항상 뛰어난 성능을 보인다.
• 단일 사용자 환경에서는 제안된 방식이 기존 SenIC 프레임워크와 동일한 성능을 달성함으로써, 이 경우 센싱 간섭 조율이 필요하지 않음을 시사한다.
• 수치 결과는 센싱 신호의 한 비트만을 추가 정보 스트림으로 활용하는 것만으로도 상당한 성능 향상을 달성할 수 있음을 확인한다.
• 분수 프로그래밍과 순차적 볼록 근사 기반의 이중 레이어 BCD 알고리즘은 일반 다중 사용자 케이스에서 고품질의 부분 최적 해를 달성한다.
• 단일 사용자 케이스에서는 MOOP를 볼록 2차 정수형 프로그래밍(QSDP)으로 변환함으로써 전역 최적의 비트포밍 해를 도출할 수 있다.
• 이론적 분석을 통해 제안된 방식에서의 최적 통신 속도는 항상 기존 기반 및 SenIC 프레임워크보다 크거나 같으며, 다중 사용자 환경에서는 엄격한 향상이 이루어짐을 입증한다.